深中通道海上大型錨碇施工筑島圍堰設(shè)計(jì)

黃修平，楊蘇海 ，王孝兵

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040）

深圳至中山跨江通道（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“深中通道”）地處珠江中游核心區(qū)域，位于虎門(mén)大橋下游約30 km，距離港珠澳大橋上游約38 km，集“隧、島、橋”水下樞紐互通于一體，是繼港珠澳大橋之后又一世界級(jí)超大“隧、島、橋”集群工程，采用“東隧西橋”方案。其中伶仃洋航道橋采用（580+1 666+580）m三跨全漂浮體系懸索橋，錨碇為海中重力式結(jié)構(gòu)。對(duì)于海中錨碇基礎(chǔ)，除了日本明石海峽大橋和丹麥的大貝爾特東橋[1]以外，國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)其它大型錨碇工程實(shí)踐。

1 工程概況

深中通道伶仃洋大橋主橋東錨碇基礎(chǔ)采用8字形地下連續(xù)墻基礎(chǔ)[2]，直徑2×65 m，地連墻厚1.5 m，嵌入中風(fēng)化花崗巖層5 m，內(nèi)襯厚度1.5 m、2.5 m、3.0 m。錨碇基礎(chǔ)頂標(biāo)高+3.0 m，底標(biāo)高-39.0 m，地連墻底標(biāo)高-44.6～-81.0 m，工程平面布置見(jiàn)圖1所示。

圖1 工程平面圖（m）Fig.1 Engineering plan(m)

橋位地處華南沿海臺(tái)風(fēng)區(qū)，夏秋兩季強(qiáng)熱帶風(fēng)暴年均侵襲1～4次，平均風(fēng)力7～9級(jí)，最大風(fēng)力12級(jí)。橋址屬不規(guī)則半日潮，平均潮差在0.85～1.70 m，最大潮差在2.30～3.22 m之間，最小潮差在0.04～0.13 m之間。

錨碇區(qū)域初始泥面在-5.00 m左右，上部均分布有厚度不等的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土軟土層，分布區(qū)域廣泛，淤泥層厚8～13 m，具有含水量高、孔隙比大、高壓縮性、強(qiáng)度低的特點(diǎn)[3]。上覆淤泥層土屬于欠固結(jié)軟土，呈流塑狀，各土層參數(shù)及特性[4]如表1所示。

根據(jù)錨碇基礎(chǔ)所處自然環(huán)境和工程要求，筑島形成圍堰后施工地連墻是可靠的施工方式，有以下施工重點(diǎn)及難點(diǎn)：

表1 土體物理學(xué)參數(shù)推薦表Table 1 Recommended table of soil physical parameters

1）錨碇基礎(chǔ)尺寸巨大，為8字形結(jié)構(gòu)，阻水率要求嚴(yán)格，需合理選用錨碇施工圍堰總平面布置。

2）錨碇所處位置淤泥層（N=1～2擊）厚度大，且經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)期，需充分考慮圍堰形成過(guò)程和成島后開(kāi)挖過(guò)程的穩(wěn)定性。

3）圍堰施工將改變局部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，影響海床沖刷形態(tài)，要合理選擇圍堰施工順序。

4）海上作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，大型水上設(shè)備使用頻率高，需嚴(yán)格控制安全風(fēng)險(xiǎn)。

5）下游側(cè)為中華豚海域保護(hù)區(qū)，需充分考慮環(huán)境保護(hù)要求。

2 錨碇筑島圍堰方案比選

為了減小圍堰的阻水?dāng)嗝妫瑴p小海床沖刷影響，采用圓形圍堰方案。對(duì)于軟弱土層上的筑島圍堰結(jié)構(gòu)，一般有鎖口鋼管樁筑島圍堰[5]、雙排鋼板樁筑島圍堰和膜袋砂筑島圍堰[6]3種形式，對(duì)各方案特點(diǎn)進(jìn)行比較，見(jiàn)表2。

表2 筑島圍堰結(jié)構(gòu)形式對(duì)比表Table 2 Comparison table of cofferdam structure forms

3 錨碇筑島圍堰總體設(shè)計(jì)與施工工藝

3.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)方案比選結(jié)果，采用鎖口鋼管樁筑島圍堰方案。對(duì)筑島范圍內(nèi)軟基采用塑料排水板對(duì)軟基進(jìn)行加固處理，增強(qiáng)圍堰成島期間和成島后的穩(wěn)定性；圍堰外側(cè)拋填袋裝砂護(hù)坡并在其表面拋塊石進(jìn)行防護(hù)，減少?lài)邲_刷。

3.2 總體設(shè)計(jì)

采用鎖口鋼管樁圍堰為主體、工字形小板樁為補(bǔ)充的組合圍堰結(jié)構(gòu)，圍堰直徑為150 m圓形結(jié)構(gòu)。整個(gè)施工區(qū)域（直徑200 m）內(nèi)插打塑料排水板后預(yù)壓進(jìn)行地基處理，然后施工鎖口鋼管樁圍堰，圍堰內(nèi)部回填砂，圍堰外側(cè)拋砂袋護(hù)坡并用碎石塊進(jìn)行沖刷防護(hù)。

鎖口鋼管樁采用φ2 000 mm×18 mm（Q235鋼），樁長(zhǎng)38 m，鋼管樁中心間距2.94 m，鋼管樁之間通過(guò)鎖口與工字形小板樁連接。鋼管樁上部1.5 m范圍內(nèi)采用7根（91φ7 mm）平行鋼絲作為圍箍結(jié)構(gòu)，設(shè)置高度+3.50～+5.00 m。鋼管樁頂標(biāo)高+6.500 m，樁底標(biāo)高-31.500 m，圍堰內(nèi)回填砂后做混凝土硬化，硬化后頂標(biāo)高+3.500 m。錨碇圍堰立面圖見(jiàn)圖2。

3.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）鎖口鋼管樁直徑與壁厚確定。采用多種直徑與壁厚進(jìn)行比選，保證鎖口鋼管樁自身具有合適的剛度，不至于水平變形過(guò)大引起漏砂等后果，也不至于剛度太小浪費(fèi)材料且不利于圍堰施工精度的控制。

圖2 錨碇圍堰立面圖（尺寸：cm；標(biāo)高：m）Fig.2 Elevation of anchorage cofferdam(size:cm;elevation:m)

2）圍堰外側(cè)圍箍形式選擇。充分比選鋼箱梁圍箍和柔性圍箍（平行鋼絲或者鋼絞線）的優(yōu)劣及本項(xiàng)目的適應(yīng)性。地基土層為軟土，為了保證圍箍安裝的方便性和在不同施工階段內(nèi)力可調(diào)性，選擇平行鋼絲圍箍，并采取“鍍鋅+雙層PE套防護(hù)”進(jìn)行處理，保證防腐性能。

3）筑島范圍軟土地基處理方式研究。比較換填法、砂石樁法、排水固結(jié)法等方法，采用適應(yīng)性好、施工方便的排水固結(jié)法進(jìn)行處理。采用塑料排水板+砂石墊層排水固結(jié)方案，其中塑料排水板采用C型排水板（寬100 mm，厚度≥4.5 mm），排水板布置間距0.8 m（正方形布置），平均長(zhǎng)度25 m，排水板底部須進(jìn)入中砂層。

4）鎖口鋼管樁間擋土結(jié)構(gòu)研究。鎖口鋼管樁可以直接采用CT形連接或者CO形連接形式，也可以采用型鋼、鋼板樁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充連接。經(jīng)過(guò)比選，考慮鎖口鋼管樁的施工誤差和軟土地基可能引起的變形，采用自制工字形小板樁連接相鄰2根鋼管樁，可以適應(yīng)水平變形。

5）圍堰筑島結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)。對(duì)圍堰島壁結(jié)構(gòu)內(nèi)外填砂順序、外側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較分析，內(nèi)部回填砂分3次，圍堰外側(cè)先拋填袋裝砂，然后在其上部拋填塊石進(jìn)行防護(hù)，采用內(nèi)外交替施工，確保整體成島施工過(guò)程穩(wěn)定性及后期錨碇施工期間島體穩(wěn)定性。

3.4 施工工藝

1）水下清淤及墊層施工。在以圍堰中心直徑226 m范圍進(jìn)行水下清淤，清淤深度約2 m；再以圍堰中心以約220 m直徑吹填墊層，約2.5 m厚砂墊層+1 m厚碎石子墊層。

2）施工水下塑料排水板。施工范圍為以圍堰中心200 m直徑圓形區(qū)域，其中地連墻環(huán)形8字形區(qū)域不施工排水板，水下塑料排水板底部須進(jìn)入中砂層。

3）施工島壁結(jié)構(gòu)。利用浮吊及導(dǎo)向架插打鋼管樁及鋼管樁之間工字形小板樁。合龍?zhí)庬毟鶕?jù)實(shí)際鋼管樁偏位及傾斜情況進(jìn)行特殊定制。

4）安裝平行鋼絲圍箍。在鋼管樁頂部設(shè)置小型施工平臺(tái)，分段制作安裝平行鋼絲圍箍，保證接頭位置連續(xù)，合口位置進(jìn)行預(yù)張拉后錨固。

5）圍堰內(nèi)分層吹填中粗砂，圍堰外同步防護(hù)。圍堰內(nèi)側(cè)分3次吹填8 m厚（考慮沉降影響）中粗砂，分別為2 m、3 m、3 m；圍堰外側(cè)先拋填袋裝砂，然后在其上部拋填塊石進(jìn)行防護(hù)。

6）做好錨碇地連墻施工前期準(zhǔn)備。在圍堰邊緣位置均布設(shè)置集水井；在地下連續(xù)墻兩側(cè)各采用2排三軸攪拌樁加固；地連墻以外區(qū)域施工“碎石墊層+水泥穩(wěn)定層+混凝土面層”結(jié)構(gòu)。

4 錨碇筑島圍堰計(jì)算分析

4.1 整體有限元計(jì)算

采用豎向彈性地基梁法[7]對(duì)鋼管樁進(jìn)行受力分析計(jì)算，鋼管樁內(nèi)力和變形可采用桿系有限元法求解，采用整體有限元模型計(jì)算。采用MIDAS Civil有限元軟件建立模型，主體結(jié)構(gòu)僅建立鋼管樁和平行鋼絲圍箍，小型鋼板樁僅做傳力構(gòu)件，不考慮參與整體受力計(jì)算。鋼管樁采用梁?jiǎn)卧M，平行鋼絲圍箍采用只受拉索單元模擬，鋼管樁底部鉸結(jié)，被動(dòng)土壓力采用土彈簧模擬[8]。

荷載主要考慮圍堰結(jié)構(gòu)自重、內(nèi)外土壓力、水壓力、局部堆載壓力、風(fēng)荷載、水流力、波浪力等的影響，并對(duì)臺(tái)風(fēng)工況進(jìn)行校核。

錨碇鋼圍堰有限元分析中應(yīng)力計(jì)算采用基本組合，位移計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)組合。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，鋼管樁樁頂位移最大值81.08 mm，鋼管樁組合應(yīng)力最大值90.6 MPa＜205 MPa（Q235B級(jí)鋼），平行鋼絲拉應(yīng)力389.6 MPa＜1 320 MPa（極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa），安全系數(shù)＞3。平行鋼絲拉力設(shè)計(jì)值為1 333 kN。

抗臺(tái)工況進(jìn)行校核驗(yàn)算，各構(gòu)件的應(yīng)力和變形也滿(mǎn)足規(guī)范[9]要求，圍堰結(jié)構(gòu)整體安全可靠。

4.2 鋼管樁圍箍處局部計(jì)算

鋼管樁頂部設(shè)置7根（91φ7 mm）平行鋼絲作為圍箍結(jié)構(gòu)，圍箍設(shè)置范圍約1.5 m高，此范圍內(nèi)鋼管樁內(nèi)部設(shè)置換向及豎向筋板加強(qiáng)。

模型中單根平行鋼絲最大拉力約1 333 kN（含初張力200 kN），折算為對(duì)鋼管樁軸向壓力約51.7 kN。建立局部模型進(jìn)行計(jì)算，得出鋼管樁內(nèi)部環(huán)板與豎向筋板相交位置最大應(yīng)力約113.31 MPa，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.3 固結(jié)度及沉降計(jì)算

利用理正巖土軟件建立吹填區(qū)域模型，計(jì)算地基沉降、淤泥土層的固結(jié)度指標(biāo)以及地基承載力。其中固結(jié)度曲線見(jiàn)圖3，沉降曲線見(jiàn)圖4。固結(jié)度計(jì)算采用微分方程數(shù)值解法，地基總沉降計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，主固結(jié)沉降計(jì)算采用e-p曲線法，基底壓力按多層土實(shí)際重度計(jì)算，計(jì)算時(shí)考慮彌補(bǔ)地基沉降引起的路堤增高量。

圖3 固結(jié)度曲線Fig.3 Curve of consolidation degree

圖4 沉降曲線Fig.4 Settlement curve

1）吹填2 m砂，時(shí)間5 d，停留7 d，總計(jì)12 d；計(jì)算得固結(jié)度約5%。

2）吹填3 m砂，時(shí)間7 d，停留18 d，總計(jì)37 d；計(jì)算得固結(jié)度約32%。

3）吹填3 m砂，時(shí)間7 d，然后進(jìn)行振沖15 d和等待5 d，總計(jì)64 d，計(jì)算得固結(jié)度約74%。

4）吹填完成后，地基沉降量0.878 m，修正后實(shí)際沉降量1.05 m；路面竣工后，基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降0.608 m；基準(zhǔn)期結(jié)束時(shí)，地基總沉降量1.486 m；考慮沉降修正系數(shù)后，最終地基總沉降=1.200×1.486≈1.78 m。

5）總計(jì)104 d時(shí)，三軸攪拌樁施工完畢，此時(shí)固結(jié)度約為94%。此時(shí)沉降量約為1.435 m。考慮沉降修正系數(shù)后，最終地基總沉降=1.200×1.435=1.72 m。

此時(shí)11 d時(shí)間新增沉降量約25 mm，平均每天增加沉降量2.3 mm。此時(shí)沉降基本趨于穩(wěn)定，可以進(jìn)入下一步導(dǎo)墻及島內(nèi)場(chǎng)地道路施工工序。

6）總計(jì)137 d時(shí)，導(dǎo)墻施工完畢，固結(jié)度約為98%。此時(shí)沉降量約為1.475 m。

考慮沉降修正系數(shù)后，最終地基總沉降 =1.200×1.475=1.77 m。

7）總計(jì)150 d時(shí)， 固結(jié)度約為99%。此時(shí)沉降量約為1.486 m?？紤]沉降修正系數(shù)后，最終地基總沉降1.78 m。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)鎖口鋼管樁筑島圍堰、雙排鋼板樁筑島圍堰、膜袋砂筑島圍堰的比選研究，選擇新型鎖口鋼管樁筑島圍堰結(jié)構(gòu)。錨碇圍堰地連墻已經(jīng)施工完成，正在進(jìn)行開(kāi)挖，島體穩(wěn)定，證明筑島圍堰的選型是成功的。

2）圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。圍堰整體采用圓形結(jié)構(gòu)，減少了海床沖刷；“新型鎖口鋼管樁+工字形小板樁筑島”結(jié)構(gòu)施工方便，不需要采用超大型施工機(jī)械；柔性圍箍結(jié)構(gòu)，方便調(diào)整圍箍?jī)?nèi)力從而使圍箍與鋼管樁內(nèi)力可以重分配，進(jìn)而組成一個(gè)內(nèi)生平衡的組合受力體系。

3）地基處理方式得當(dāng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際沉降為1 670 mm，與計(jì)算結(jié)果基本吻合，表明選取的地基土力學(xué)參數(shù)合理，沉降計(jì)算方法得當(dāng)。采用“塑料排水板+砂石墊層”排水固結(jié)方案進(jìn)行地基處理，島體內(nèi)外交替施工填砂和維護(hù)結(jié)構(gòu)，解決了海相軟土地基加固問(wèn)題。